[发明专利]一种薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法及异质结构

说明书

本发明公开了一种薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法及异质结构，包括构建目标曲面异质功能结构三维模型，对三维模型分割、展开，转化为临时平面结构；选取非晶态聚合物和导电材料，对临时平面结构进行平面异质加工；使用聚合物有机溶剂雾化处理；加热临时平面结构与待共形曲面使其中聚合物材料完全转化橡胶态；曲面共形贴合，并调整校准，冷却后得到目标曲面共形薄壁异质功能结构。通过对非晶态聚合物基质加热软化塑形－冷却硬化定形的处理，实现简单临时结构向复杂目标结构的4D变形，降低了曲面异质功能结构直接以目标结构一体化成形的难度，避免了制造误差导致的曲面装配问题，具有较高的成形精度，保障了电磁、电子器件性能的稳定。

技术领域

本发明属于4D打印制造领域，具体涉及一种薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法及异质结构。

背景技术

电介质与导电材料由于电阻率的差异，被广泛组合应用在各类电磁、电子器件中。但是随着智能器件小型化、轻薄化的发展，薄壁异质功能结构的曲面共形是下一代电磁、电子器件的关键技术。先进功能材料及加工工艺成为近年来的研究热点。非晶态聚合物是电介质材料的一种，可以经由外界温度变化，实现聚合物玻璃态与橡胶态可逆转化，被广泛应用于4D打印领域。

4D打印是在3D打印技术基础上发展起来的一种新兴制造技术，为超表面等曲面共形电磁、电子器件的制造局限提供了新的解决思路。所谓4D是指在三个空间成形维度的基础上增加了一个时间的维度，采用具有形状记忆的打印材料，通过外界刺激使三维结构从一种形态变形为另一种形态。相对于传统的制造工艺，4D打印除了具备3D打印制造速度快、成本低、具备复杂结构制备能力等优势外，还能够在外界环境条件改变时调整物体自身属性，变化成所需要的物理状态进而行使相关变形功能，降低曲面结构一体化直接成形的难度。

现有的如PCB工艺等平面金属与电介质异质结构的平面加工方法无法实现曲面共形电磁、电子器件的制造。使用柔性基底的柔性电子电路技术虽然能够在一定程度上曲面变形，但是由于其不可控的结构变形造成导电结构的滑移失位可能对电磁、电子器件的性能产生显著影响；如曲面转印、激光直接成形以及油墨直写等在曲面电介质基底上进行导电材料增材制造的方法，加工难度大、成本高并且成形面积有限，刚性曲面基底由于制造误差难以与目标曲面完美共形。

发明内容

本发明针对超表面等薄壁电磁、电子器件的曲面共形应用需求，为解决电介质与导电材料异质功能结构的曲面制造难题，提出了一种非晶态聚合物与金属等导电材料组成的异质结构的曲面共形4D打印方法，该方法实现高精度曲面异质结构制造的同时，大大降低了共形制造的难度。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明一方面，提供了一种薄壁异质结构的曲面共形4D打印方法，包括：

通过计算机构建目标曲面异质功能结构三维模型，对三维模型分割、展开，转化为临时平面结构；

选取非晶态聚合物和导电材料，对临时平面结构进行平面异质加工；

使用聚合物有机溶剂雾化处理异质加工后的临时平面结构；

临时平面结构与待共形曲面加热，使临时平面结构中的聚合物材料完全转化为橡胶态；

将橡胶态软化的临时平面结构与待共形曲面贴合，并调整共形得到校准异质结构；

待异质结构完全冷却至聚合物玻璃态温度，得到目标曲面共形薄壁异质功能结构。

作为优选，对临时平面结构进行平面异质加工包括如下步骤：

根据目标曲面异质功能结构三维模型，用熔融沉积成形技术，将非晶态聚合物通过聚合物打印喷头在打印平台上打印电介质基底及定位辅助边缘，再通过金属打印喷头在电介质基底上打印导电谐振环。

作为优选，所述非晶态聚合物为聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚碳酸酯等3D打印材料。